徐穎超，季 忠

（重慶大學 生物工程學院，重慶 400030）

0 引 言

由于經濟和社會等多方面原因，中國老齡人口規(guī)模龐大、發(fā)展迅速，截至2018年末，我國60歲及以上老年人口達2.49億，占總人口的17.9%[1]。預測到2050年將達到4.87億，占全球老年人口的1/4，我國將進入重度老齡化平臺期[2]。

老齡人口的增長帶來了一系列社會壓力和挑戰(zhàn)，首先是老齡人口的醫(yī)療和照護問題。年輕人忙于自己的事業(yè)，導致獨居老人越來越多。老人在突發(fā)意外情況時未得到及時救治會危及生命[3]。

針對獨居老人的照護問題，一些研究人員已經進行了相關研究，構建了若干不同的遠程監(jiān)護系統(tǒng)，實現(xiàn)養(yǎng)老院、醫(yī)療機構和居家醫(yī)療監(jiān)護及室內環(huán)境監(jiān)護[3-8]。主要有以下兩種模式：

（1）基于物聯(lián)網遠程視頻監(jiān)控模式，通過遠程監(jiān)控、視頻交互觀察獨居老人的日常生活，但這種模式會侵犯老人隱私，且遠端服務人員很難做到隨時觀察并做出及時反應。

（2）基于穿戴式設備的遠程醫(yī)療照護和防摔系統(tǒng)，通過佩戴便攜式傳感器，采集獨居老人的各項生理參數指標。但是該類設備會讓老人產生束縛感，實際應用中也很難保證老人時刻佩戴。

綜上所述，本文在不影響居家老人日常生活的前提下提出一種獨居老人無束縛照護系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)方案設計

獨居老人無束縛照護系統(tǒng)的實現(xiàn)包括如下步驟：

（1）通過ZigBee技術組建無線傳感器網絡，經終端節(jié)點監(jiān)測老人日常使用的家居設備，采集設備狀態(tài)變化及時間信息，并將其發(fā)送至協(xié)調器；

（2）路由器節(jié)點輔助傳輸相關信息；

（3）協(xié)調器接收數據后將其發(fā)送到中央處理器；

（4）處理器對老人的行為模式進行分析，判定是否與老人日常行為習慣一致；

（5）當活動信息超出老人日常行為習慣最大閾值范圍時，自動撥打報警電話聯(lián)系監(jiān)護人或社區(qū)平臺；

（6）系統(tǒng)為老人設置了緊急按鈕，發(fā)生緊急情況時，老人觸發(fā)此按鈕，聲光報警器被啟動，自動撥打報警電話給監(jiān)護端。監(jiān)護端接到報警電話進行確認并及時采取相應措施，避免意外的發(fā)生。

此外，網關還將實時記錄獨居老人每天的活動軌跡，同時監(jiān)測睡眠、用藥、久坐等情況，幫助老人改善身體狀況。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 系統(tǒng)硬件搭建

1.2.1 器件選型

系統(tǒng)包括網關處理器、監(jiān)護端、協(xié)調器、路由器、終端、輔助器件、家居設備狀態(tài)監(jiān)測傳感器等。將CC2530芯片作為主控芯片，它是應用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)解決方案，能以非常低的物料成本建立強大的網絡節(jié)點；家用設備狀態(tài)的監(jiān)測采用了不同類型的傳感器：床下四個腳處設置壓力傳感器、沙發(fā)下設置壓力傳感器、馬桶底座下設置壓力傳感器、藥柜下設置壓力傳感器、電飯煲后設置電流傳感器、電視機后設置電流傳感器，并在他處設置溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器；輔助器件包括緊急按鈕、聲光報警燈、語音模塊等。該系統(tǒng)器件選型整理見表1所列。

表1 器件選型表

1.2.2 無線傳感器監(jiān)測網絡硬件

ZigBee支持星型、樹狀和網狀拓撲網絡。網狀拓撲在網絡容量和通信能力方面更有優(yōu)勢，因此系統(tǒng)采用網狀拓撲結構來組建無線傳感器監(jiān)測網絡，通過監(jiān)測設備獲知老人的活動信息。無線傳感監(jiān)測網絡由傳感器、家居設備、終端節(jié)點、路由器節(jié)點及協(xié)調器節(jié)點組成。

（1）終端監(jiān)測節(jié)點

終端監(jiān)測節(jié)點主要是居家老人日常活動時常用的設備，節(jié)點主要包括：床、水流、電視機、電飯煲、藥瓶、馬桶、沙發(fā)、門、溫度、煙霧等監(jiān)測單元；另設置緊急按鈕，安裝在老人容易發(fā)生危險的地方，當老人需要求助時，只需觸發(fā)按鈕即可完成報警。終端監(jiān)測節(jié)點功能實驗設置如圖2（a）～圖2（k）所示，實際應用時還需考慮這些設備的防水性能、安裝位置、功耗等問題。

圖2 終端監(jiān)測節(jié)點

（2）協(xié)調器節(jié)點

協(xié)調器節(jié)點放置于客廳，便于組建無線傳感網絡、管理網絡，接收終端監(jiān)測節(jié)點數據傳送至處理器。協(xié)調器如圖3所示。

圖3 協(xié)調器

（3）路由器節(jié)點

在室內環(huán)境，受門、墻阻隔，傳輸信號可能較弱，因此可根據照護系統(tǒng)應用時的具體居家環(huán)境在終端節(jié)點和協(xié)調器之間增加路由器，提高無線傳感器網絡信息傳輸的能力。路由器節(jié)點如圖4所示。

圖4 路由器

1.2.3 網關節(jié)點硬件部分

PC端分別與協(xié)調器節(jié)點和報警節(jié)點通過USB接口連接，如圖5所示。PC端通過協(xié)調器接收無線傳感網絡采集的數據，處理分析后判定是否需要觸發(fā)報警節(jié)點。其中，報警節(jié)點用于處理器判定居家老人的狀況是否異?；蛘呃先擞|發(fā)緊急報警按鈕時自動向監(jiān)護端撥打報警電話。

圖5 網關節(jié)點

1.3 系統(tǒng)軟件設計

1.3.1 無線傳感器監(jiān)測網絡軟件

無線傳感器監(jiān)測網絡數據的獲取、傳輸，采用事件驅動方式進行數據采集、發(fā)送。當監(jiān)測到居家老人活動事件時，即喚醒該路數據采集功能，根據終端節(jié)點編號、傳感器編號、設備編號標記發(fā)生的事件，記錄事件的起止時間，并在網關保存。終端節(jié)點發(fā)送數據格式以床為例，見表2所列。

表2 數據通信格式

1.3.2 基于老人日常行為模式的報警觸發(fā)

網關接收數據后，判斷活動信息是否滿足預設條件；當活動信息滿足預設條件時，網關處理器自動向監(jiān)護端撥打報警電話。

首先收集并分析老人居家日常行為習慣，形成老人完整的日常行為模式信息并存儲在處理器的Access數據庫，處理器將活動信息與行為習慣信息進行對比。

同一事件下，當活動時間信息t與習慣時間信息T的偏差超過預設閾值時，即|T-t|＞a，處理器判斷活動信息滿足預設條件。這里根據具體事件對閾值進行區(qū)分：

（1）老人短時間內容易發(fā)生危險事件，比如洗澡、上廁所、服藥等，閾值取a=10 min；

（2）需要較長時間判斷老人發(fā)生危險的事件，比如睡覺、吃飯、做飯等，閾值取a=30 min；

（3）老人僅僅在家中走動，即系統(tǒng)不會監(jiān)測到具體事件的發(fā)生，通過在客廳、臥室門、廚房門、衛(wèi)生間門共放置5個紅外傳感器，大致判定老人的位置和活動軌跡，判定老人是否出現(xiàn)異常情況。

當處理器判定超出閾值時，啟動報警器進行聲光報警，限定時間內老人未取消報警，處理器自動撥打報警電話給監(jiān)護端。

基于獨居老人的日常行為活動判定流程如圖6所示。

圖6 老人行為活動判定流程

當老人觸發(fā)緊急按鈕后，報警器啟動并即刻自動撥打報警電話至監(jiān)護端。

處理器還需要描繪出老人一天的活動軌跡，并按日期存儲。隨著老人日常活動軌跡記錄的增加，將根據居家老人每天的居家活動事件發(fā)生的時間范圍，進一步通過機器學習方法自適應調整老人日常行為模式規(guī)律，進而對報警閾值進行自適應調整，使其更符合老人的日常行為習慣，避免誤報警[9-10]。

1.3.3 用藥、睡眠、久坐情況監(jiān)測及改善

（1）用藥狀況監(jiān)測

系統(tǒng)通過監(jiān)測老人一天不同藥物用藥次數，判斷老人是否按時服藥，超出數據庫中老人應該服藥的時間時，處理器通過協(xié)調器向終端發(fā)送命令，終端語音提醒老人吃藥。

（2）睡眠狀況監(jiān)測

系統(tǒng)通過監(jiān)測老人在床上的翻身次數評估老人的睡眠質量。正常人每晚睡覺時不會頻繁翻身，翻身次數過多，睡眠質量下降。當監(jiān)測到翻身次數超過20次時，系統(tǒng)判斷為睡眠質量較差。處理器通過協(xié)調器向終端發(fā)送命令，終端自動播放舒緩音樂輔助老人睡眠。

（3）久坐提醒

基于老人運動量較少，系統(tǒng)通過監(jiān)測老人在沙發(fā)上的時間判斷老人是否久坐。當超過一個小時時系統(tǒng)判斷為老人久坐，該時間也可以通過處理器設定。處理器通過協(xié)調器向終端發(fā)送命令，終端播放語音提醒老人起身活動。

2 系統(tǒng)測試

通過采用ZigBee技術組建無線傳感器網絡監(jiān)測老人的家用設備，采集設備狀態(tài)變化及時間，獲取獨居老人的活動信息，實時描繪老人的活動軌跡，如圖7所示。實現(xiàn)行為模式判定、報警、用藥、睡眠、久坐情況監(jiān)測以及改善、數據存儲及回放等功能。遠端接收報警電話如圖8所示，系統(tǒng)功能測試見表3所列。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)測老人居家活動事件圖

圖8 監(jiān)護端收到報警電話

表3 系統(tǒng)功能測試表

圖7中，對于老人外出/回家事件判定如下：系統(tǒng)記錄一天內老人第一次（奇數次）經過門口的事件，判定為老人外出；第二次（偶數次）經過門口則判定為老人回家，且外出到回家之間的時間段，系統(tǒng)未監(jiān)測到其他事件[9-10]。

3 結 語

系統(tǒng)基于獨居老人的日常行為模式分析，通過監(jiān)測老人活動軌跡分析老人有無異常狀況，譬如監(jiān)測到獨居老人洗澡時暈倒無意識，起床時間老人仍在床上，做飯時間無設備用電，獨居老人吃藥、睡眠、有無久坐等情況。此外，該系統(tǒng)還考慮了獨居老人出現(xiàn)昏厥不能主動報警時的情況，為系統(tǒng)增加了可自動報警功能；老人主動報警時，只需觸發(fā)緊急按鈕即可。該系統(tǒng)在保障獨居老人安全的前提下，不侵犯老人隱私、避免穿戴式設備帶來束縛感，實現(xiàn)了對獨居老人的無束縛式智能照護，有助于老人的慢病治療并預防突發(fā)情況。